При формировании теплоизолирующего слоя пароизоляция утеплителя выполняется, чтобы предотвратить намокание, вызванное паровым конденсатом бытового характера. Взвешенные частицы воды в виде пара выходят из помещения, если от них изолировать утеплитель. Он намокнет, утратит теплоизоляционные качества и, как следствие, даст усадку. Невзирая на это, пароизоляция имеет отрицательное свойство. Чтобы поддерживать оптимальный уровень влажности в помещении, необходимо пользоваться кондиционером воздуха либо часто проветривать дом.

Эковата, на три четверти состоящая из обыкновенной бумаги, формирующей капиллярно-пористую структуру, не боится проникающей влаги. В сравнении с минеральными изоляторами, где влага формируется в полостях между волокон, эковата аккумулирует влажность с помощью волокон капилляров. Как бумажная салфетка легко пропускает через себя воду, дышащий материал эковата пропускает частицы пара, регулирует влажность внутри помещения без потери теплозащитных характеристик.

Резюмируя всё вышесказанное, следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев при утеплении домов эковатой пароизоляция априори не нужна. Данный принцип не распространяется на помещения с преобладающим в них высоким уровнем влажности – бассейны, автомобильные мойки, бани и сауны. Решение о пароизоляция перечисленных помещений всегда принимается в индивидуальном порядке. В сегодняшней статье мы расскажем о гигроскопических свойствах ваты из теплоизоляционной целлюлозы.

Исследовательская часть

Объектом исследования в рамках данного материала выступает теплоизоляционный материал эковата из первичной целлюлозы. Первичная задача исследования – определить гигроскопические свойства ваты в условиях положительных и отрицательных температур, варьируемых от +20 до 40 градусов Цельсия со знаком минус. Вторая задача – провести сравнительный анализ гигроскопичности ваты без минеральных добавок с эковатой и выстроить изотермы сорбции. На основании полученных данных сформировать научные выводы о возможности профессионального применения утеплителя в качестве теплоизоляционного материала для обустройства объектов гражданского и промышленного строительства.

Из предстоящей научно-исследовательской статьи вы узнаете о результатах проведенных ранее экспериментов на графиках изотерм сорбции-десорбции образцов эковаты и ваты без минеральных добавок. Ознакомитесь с результатами математической обработки изотермы в условиях температуры – 10 градусов по шкале Цельсия со знаком минус по уравнению Френкеля-Холси-Хилла, далее сокращенно ФХХ. Получите информацию об изменениях тепловой ёмкости образцов эковаты с различным содержанием воды на примере калориметрической схемы. На основании информации о паропроницаемости наружной стены из красного кирпича и внутреннего слоя эковаты узнаете о вычисленном уносе и накоплении воды на границе двух слоёв в условиях красноярского края.

Вводная часть

Применение в качестве теплоизоляционного стройматериала экологической ваты из целлюлозы в условиях западносибирского региона, требует досконального изучения гигроскопических качеств. В настоящий момент, сведения о технических характеристиках эковаты, как натурального утеплителя, сорбирующего влагу при низких положительных и отрицательных температурах на территории Сибири, отсутствуют. В этой связи необходимо восполнить недостающие знания об упомянутых выше гигроскопических свойствах ваты из переработанной целлюлозы, содержащей в качестве дополнительных компонентов буру и борную кислоту.

Утеплитель эковата

Теплоизоляционную вату из первично переработанной бумаги активно используют, как утеплитель домов изнутри и снаружи, жители европейских стран. Жители Германии, Австрии, Франции и иных регионов, с успехом применяют её для утепления вилл, коттеджей, а также промышленных зданий и сооружений. Однако в условиях сурового западносибирского климата в создании внутреннего слоя тепловой изоляции (без паровой изоляции) могут возникнуть проблемы. При низкой температуре за окном в теплоизолирующем слое эковаты может образоваться градиент температур от +20 градусов по шкале Цельсия в помещении с относительным уровнем влажности воздуха 55% до нуля градусов и ниже на границе со стеной.

В озвученных выше условиях, в слоях рассматриваемого утеплителя (эковаты) с пониженной относительно температурой не исключена возможность конденсации водяных паров под статью объемного капиллярного образования с превышением потенциально допустимых пределов уровня влажности эковаты. При избыточном скоплении воды в условиях падения температуры до значений отрицательного характера, в прилегающем к стене слое эковаты возможно даже образование корки льда. Чтобы определить безопасные с рассматриваемой точки зрения условия активной эксплуатации ваты из целлюлозного сырья, помимо установленных к настоящему времени и необходимых для расчётов характеристик, нужно обладать сведениями об особенностях сорбции жидкости эковатой.

В отличие от подавляющего большинства теплоизолирующих стройматериалов, утеплитель эковата имеет увеличенную сорбционную способность относительно воды. Это качество в существенной мере приближает анонсируемый тепловой изолятор к натуральной древесине. Именно это качество эковаты, как теплоизолирующего продукта, в первую очередь, вызывает многозначительный интерес, поскольку при её профессиональном применении достигаются максимально комфортные условия внутри жилых и нежилых помещений. Эковатой активно утепляют не только жилые дома и промышленные сооружения, но также масштабные цеха, авиационные ангары на каркасной основе, крытые и подземные автостоянки.

Изотермы утеплителя эковата

Изотермическая линия сорбции-десорбции воды образцами ваты была получена, путём уравновешивания в гигростатах с известной относительной влажностью воздуха при температурах: +20, 0, -10, -20, -30 и -40 градусов Цельсия, соответственно. В качестве реагента использовались водно-глицериновые растворы. Чтобы предотвратить замерзание воды в рассматриваемых образцах при отрицательных температурах, их предварительно подсушили в лиофилизаторе без заморозки до уровня остаточного содержания жидкости, немного превышающего влагосодержание при соответствующей температуре плавления льда. Масса сухих образцов составляла 500 миллиграмм плюс расчётный объем жидкости до уровня при температуре точки плавления льда.

Температурный режим плавления образцов эковаты с разным содержанием жидкости, определили методом дифференциальной сканирующей калориметрии при нагреве после замораживания в жидком азоте до -196 градусов. Предельно допустимый объем незамерзающей жидкости определили по зависимости величины теплового эффекта при плавлении льда от влагосодержания и по кривой точки плавления ледяного блока. В математических расчётах миграции и накопления жидкости в теплоизолирующем слое, а также кладке из красного кирпича, использовались результаты определения паропроницаемости кирпичного перекрытия и внутреннего утеплителя, полученные в стенах института НИИ «Красноярск-Промстрой-Проект». Смотрите рисунок №1.

Температура в градусах, ℃

Образцы с содержанием воды, г.H₂O/г.а.с.м.:

1-0,15; 2-0,22; 3-0,25; 4-0,30; 5-0,45; 6-0,60

Рисунок №1 – калориметрические кривые изменения тепловой ёмкости образцов утеплителя эковата с различным содержанием в них воды.

Ниже вы увидите рисунок за номером №2, в котором приведена зависимость величины теплового эффекта (в расчёте на 1 г.а.с.м.) от содержания воды в образцах ваты. Показатели величины тепловых эффектов рассчитывали по площадям пиков на кривых изменения тепловой ёмкости.

Содержание воды г.H₂O/г.а.с.м.:

Рисунок №2 – отображает зависимость величины теплового поглощения при плавлении льда от содержания воды в образцах утеплителя эковата.

Из изображений под номером №1 и №2 следует, что при влагосодержании образцов строительного материала ниже 0.25 ± 0.01 г.а.с.м содержащаяся в них жидкость не претерпевает фазовых переходов, то есть вся вода является не вымораживаемой даже при замораживании в жидком азоте при температуре -196 градусов Цельсия.

Из рисунка под номером три вы узнаете о зависимости температуры плавления льда в образцах эковаты с различным содержанием водной массы. Кривая определяет количество способной к замерзанию и не замерзанию воды при конкретном содержании влажности в образцах при разных температурах. При значениях влаги слева от кривой вода в образцах считается незамерзающей. При влагосодержании образцов справа от отображаемой кривой линии точки плавления эта часть воды способна замерзнуть при падении температуры до двадцати градусов со знаком минус.

Содержание воды г.H₂O/г.а.с.м.:

Рисунок №3 – отображает кривую замерзания (плавления льда) в образцах утеплителя эковата с различным содержанием жидкости.

Показатели влагосодержания на вышестоящей кривой линии при разных температурах являются в то же время значениями равновесного влагосодержания образцов надо льдом. Иными словами, давление водяных паров в образцах при заявленной температуре и уровне влажности образцов совпадает с идентичным показателем давления пара надо льдом при аналогичном температурном режиме.

Далее предлагаем вашему вниманию следующий рисунок за номером №4, где приведены изотермы десорбции образцов эковаты при разных температурах. График изображает кривую точки плавления или линию равновесного содержания влаги образцов надо льдом, построенную на основе данных предыдущего изображения.

Относительная влажность в эксикаторах ȹ.

Изотермы сорбции с образцами:

1 – ваты из минеральных добавок при температуре +20℃; 2 – эковаты при температуре +20℃; 3 – эковаты при температуре 0℃; 4 – эковаты при температуре -10℃; 5 – эковаты при температуре -20℃; 6 – эковаты при температуре -40℃; 7 – кривая точки замерзания (плавления льда)

Рисунок №4 – показывает изотермы сорбции жидкости образцами утеплителя без минеральных дополнений и эковаты (1-6) и кривые точки промерзания в образцах целлюлозы (7).

Восьмая кривая отражает процесс равновесного замерзания, путём сублимации молекул воды из отдельно взятого образца в лёд при очень медленном темпе понижения температуры. Также она показывает объем незамёрзшей воды, находящейся в равновесии со льдом при разных температурах и различных активностях воды, соответственно – ȹ = p/p₀. При температурах ниже двадцати градусов Цельсия с отрицательным значением сорбированная жидкостная среда в количественном объеме 0.25 г.H₂O/ г.а.с.м. не переходит в стадию льда ни в результате кристаллизации, ни вследствие сублимации даже в условиях продолжительного выдерживания компонентов надо льдом.

Изотермы десорбции демонстрируют потерю воды отдельными компонентами при различных отрицательных температурах с уменьшением относительной влажности воздушной среды либо активной воды – p/p₀. Из вышеприведенного изображения под четвёртым номером также следует, что численный объем собираемой водной массы при идентичных значениях относительного уровня влажности увеличевается пропорционально падению ртутного столба термометра. Причиной «невымораживания» при любом температурном режиме адсорбируемыми образцами эковаты воды в объеме 0.25 г.H₂O/ г.а.с.м. является существенное влияние на фракцию полей поверхностных сил сорбента, а также изменение в результате рассматриваемого взаимодействия структуры жидкости, находящейся в состоянии полимолекулярного адсорбирующего продукта.

Аналитические изыскания изотерм по методу «БЭТ» (Брунауэра-Эммета-Теллера) определяют ёмкость первичного слоя аккумулированной жидкости. Эта величина составляет приблизительно 0.05 г.H₂O/г.а.с.м. при известной из авторитетных литературных источников величинах поверхности, занимаемой лишь одной молекулой 0,09 нм, эквивалент расстоянию между центрами – 0,3 нм. Таким образом, условная плотность полимолекулярного слоя водного адсорбирующего элемента, составляет около 1,5 нм либо пять слоёв молекул.

Структура связей молекул водной массы в полимолекулярном адсорбирующем компоненте значительно отличается от идентичной структуры связей между капиллярами в объемной фазе. Помимо всего прочего, аккумулированная молекулами целлюлозы жидкость является достаточно прочно связанной за счёт формирования многочисленных цепочек водорода между молекулярными единицами воды и OH-группами целлюлозы.

Резюмируя всё вышесказанное, отметим, что основополагающей причиной не-вымораживания фракций, пребывающих в положении полимолекулярного адсорбента, выступает фактор влияния впитывающей поверхности на структуру воды. Несложные математические расчёты показывают, что удельное покрытие, доступное для адсорбции, составляет примерно 150М₂/ г.а.с.м.ЭВ.

Полученные результаты позволяют предположить, что объемная фаза жидкости, способная кристаллизоваться и обрести форму капиллярного конденсата, появляется в эковате при содержании влаги выше 0.25 г.H₂O/ г.а.с.м. Верность такого соотношения фракций полимолекулярного адсорбента и конденсата находит подтверждение в результатах обработки изотерм по уравнению Френкеля-Холси-Хилла, сокращенно ФХХ.

Полимолекулярному положению адсорбента соответствует линейный участок зависимостей в координатах InW - In In (p₀/p). Увидеть зависимость, построенную с применением изотермы при температуре -10℃, вы можете, изучив рисунок под пятым номером.

In In (p₀/p)

Рисунок №5 – отображает график ФХХ (Френкеля-Холси-Хилла), построенный с применением изотермической формулы при температуре -10℃.

Как вы понимаете из вышесказанного, точка излома линии соответствует числительному значению p/p = 0.85, то есть содержанию жидкости в аккумулированном статусе 0.25 г.H₂O/ г.а.с.м.ЭВ. Ниже, вашему вниманию будет предложен следующий, шестой график с приведенной зависимостью величины относительной влажности воздушной среды p₀/p в слоях утеплителя эковата от показателя ртутного столба, постепенно снижающегося до +20 градусов Цельсия на границе с вертикальным перекрытием.

Температура в градусах, ℃

Рисунок №6 – отображает зависимость активной фазы молекул воды (ȹ = p/p₀) от температуры внутри теплоизолирующего слоя эковаты при непосредственном контакте с воздухом при влаге 0,55 и t⁰+20℃ и кирпичной кладкой при пониженных до минимума значениях. Из этого следует, что при снижении заявленного показателя до десяти градусов, внутренняя относительная влажность воздуха достигнет 100-процентного уровня, то есть p/p₀ = 1, что в свою очередь вызовет образование конденсата с превышением потенциально допустимой нормы по эковате выше 0,3 г./г.

Формирование излшиней влаги в слоях целлюлозного утеплителя при пониженном температурном режиме будет зависеть от паропроницаемости теплоизоляцоинного слоя ваты и кладки красного кирпича, соответственно. Расчёт для условий красноярского региона были проведены экспертами НИИ «Красноярский-Промстрой-Проект». Паропроницаемость кирпичной кладки составила 1мг./м*ч*Па и для эковаты – 0,12мг./м*ч*Па.

При наименьшей величине градиента давлений водяных паров (ΔP около ~500Па) на границе кладки из красного кирпича и слоя экологически чистого утеплителя из целлюлозы с одной стороны и давления пара воды при температуре -15℃ на улице через один квадратный метр стены с другой, наружу выйдет до 1г./час. Одновременно с этим, по максимальной шкале для ΔP около ~850Па. скопление жидкости на границе эковаты и кирпичной кладки составит 1,052 грамм за шестьдесят минут. С учётом уноса одного грамма через кирпичную стену накопление воды в целлюлозном изоляторе составит относительно одного часа 52 миллиграмма. Если опустить унос влаги через стену из кирпича и допустить, что вся она конденсируется в эковате, её накопление за 90 дней или 2000 часов составит не более двух килограмм на кубический метр.

При плотности экологически чистого утеплителя из целлюлозы 65 килограмм на кубический метр, слой толщиной 0,1 метр и площадью 1 метр квадратный, будет весить 7 килограмм. Получаемая в текущих условиях среднестатистическая влажность в самых неблагоприятных условиях составит около ~29%, что эквивалентно допустимому уровню равновесной влажности эковаты при p/p₀ = 0,9 и +20℃.

При этом, заметьте, что точка промерзания капиллярного конденсируемого образования при заявленной влажности, составил не более десяти градусов со знаком минус. Подробнее на рисунке №3. Следует учесть и тот факт, что в реальных условиях процесс кристаллизации капиллярного конденсируемого образования произойдет с небольшим переохлаждением ниже точки плавления 3-5 градусов по шкале Цельсия.

Принимая во внимание расчёт количества воды, уходящей из целлюлозного утеплителя эковаты за летние месяцы (~2286г./м²), можно прийти к выводу, что избыточной жидкости в тепло изолируемом слое не появится.

Выводы

1. Результаты исследовательской деятельности о гигроскопичности эковаты при различных температурах и вероятной влажности окружающей среды в помещениях, демонстрируют перспективы применения утеплителя в качестве теплового изолятора при условии, что паропроницаемость кирпича равна или выше аналогичного показателя ваты.
2. Несмотря на приведенную информацию, обличающую перспективность рассмотренного строительно-отделочного материала, требуется провести ряд экспериментальных проверок по внутреннему утеплению в реальных условиях.

Ниже вас ждёт приложение к тексту об исследованиях гигроскопичности утеплителя эковата с математическими формулами и расчётами.

ПРИЛОЖЕНИЕ№1

Расчёты тепла, выделяемого эковатой при сорбции воды 20% влажности

1. Теплота сорбции при увлажнении утеплителя эковата от 5% исходного до 20% конечного уровня, была установлена методом калориметрии и составила ~50кДж/кг. Эковаты.
2. При плотности эковаты 70 килограмм на кубический метр, масса утеплителя не выйдет за пределы шестидесяти пяти килограммов. Несложный математический расчёт доказывает, что тепло, выделенное 70-килограммовой подушкой при сорбции 20-процентной влажности составит:

50 кДж/кг.*70 кг. = 3500 килоджоулей тепловой энергии

3. В качестве примера возьмём строение из четырех стен, (10 м*3 м) = 30м² каждая. Слой ваты в 0,1 метра на стенах заявленной площади составит 120м²*0,1м=12м³, которые при сорбции 20% воды выделят:

50 кДж/кг.*70 кг./м³*12м³ = 42 000 килоджоулей тепловой энергии

4. Если сорбция воды будет проистекать в течение десятидневного срока, тепловая мощность в этом случае составит:

42 000 кДж/(10 дней*24 часа*60 минут*60секунд)=

=14 000 килоджоулей/2 592 000 секунд = 0,024 кВт = 24Вт.

5. Вывод: при сорбции влаги эковатой происходит выброс тепла, однако тепловая мощность процесса мала. Самостоятельный обогрев помещения практически исключается, однако удержанию тепла внутри помещений это явление в определенной мере будет способствовать. Целесообразно проверить приведенные результаты в реальных условиях.

Читайте дальше